Etayage de l'activité de conception expérimentale par un EIAH pour apprendre la notion de métabolisme cellulaire en terminale scientifique

par Catherine Bonnat

Thèse de doctorat en Ingénierie de la Cognition, de l'interaction, de l'Apprentissage et de la création

Sous la direction de Patricia Marzin.

Le président du jury était Erica De Vries.

Le jury était composé de Isabelle Girault, Eric Sanchez.

Les rapporteurs étaient Patricia Schneeberger, Marianna Bosch.


  • Résumé

    L’objectif de la thèse est d’étayer l’activité de conception expérimentale avec l’utilisation d’un environnement informatique pour l’apprentissage humain (EIAH). La conception expérimentale correspond à une partie de la démarche d’investigation qui fait l’objet de nombreuses recherches, à la fois parce que cette activité favorise l’apprentissage mais aussi parce que c’est une tâche complexe à l’origine de difficultés identifiées.La situation que nous avons choisie est la mise en évidence de la fermentation alcoolique, thème abordé en classe de terminale scientifique de spécialité en sciences de la vie et de la terre. Les élèves doivent concevoir une expérience pour mettre en évidence ce métabolisme.La première étape de la thèse a consisté à effectuer une modélisation didactique des connaissances en jeu. Pour cela nous nous plaçons dans le cadre de la théorie anthropologique du didactique et plus précisément l’approche praxéologique (Bosch & Chevallard, 1999). Nous avons ainsi obtenu un premier résultat qui est la modélisation d’une praxéologie de référence à partir d’une analyse épistémologique des savoirs en jeu et des attentes institutionnelles.Afin d’aider les élèves dans cette activité à l’origine de difficultés, nous utilisons des supports d’étayage, portés par la plateforme informatique, LabBook. Cet EIAH structure des rapports expérimentaux, à l’aide de plusieurs outils (texte, tableur, dessin, protocole) mis à disposition des élèves. L’outil protocole « Copex », permet de pré structurer un protocole expérimental.La deuxième étape de la thèse a été de proposer un protocole pré structuré en étapes, actions et paramètres d’actions qui prend en charge les difficultés attendues, et de l’implémenter dans LabBook, en tenant compte des contraintes de l’EIAH.L’étape suivante a été de tester l’efficacité de la prise en charge de ces difficultés dans la situation proposée en classe. Pour cela nous avons ainsi réalisé deux expérimentations en classes de terminale scientifique dans trois lycées différents. Nous avons recueilli les productions des élèves ainsi que leur réponse à des questionnaires (pré-test et post-test).L’analyse des résultats a montré que l’activité proposée favorise les apprentissages des concepts en jeu, et fait évoluer les conceptions des élèves.Concernant la conception du protocole, la pré structuration proposée aide les élèves à produire des protocoles communicables et pertinents.A partir des praxéologies personnelles modélisées a priori nous avons mis en évidence la présence de praxéologies personnelles d’élèves.Les analyses effectuées ont permis de faire évoluer la situation proposée et de valider la proposition de pré structuration du protocole en étapes et en actions paramétrées.Enfin nous proposons des préconisations pour un diagnostic automatique des erreurs des élèves, dans le but de produire des rétroactions élaborées à partir du modèle praxéologique développé dans la thèse.

  • Titre traduit

    scaffold the experimental design activity with a TEL system to learn the cellular metabolism in high school


  • Résumé

    The thesis work involves a scaffold of the experimental design activity carried out by high school students in scientific activities using a TEL system (Technology Enhanced Learning).This type of activity promotes learning, but it is also a complex task that leads to difficulties identified in the literature. The situation highlights a specific cellular metabolism, the alcoholic fermentation, this topic being studied in high school biology classes. Students have to design an experimental procedure to highlight this metabolism.The first step of the thesis consisted in knowledge modelling for designing an experimental situation in biology. The framework used to model knowledge, is the Anthropological Theory of Didactics (ATD) and more precisely the praxeology model (Bosch & Chevallard, 1999). An epistemological analysis has been done in order to identify difficulties in this situation: difficulties related to knowledge and also to experimental procedure.A structured procedure was modelled into steps, actions and parameters, which takes into account difficulties identified a priori and implemented in a web environment named LabBook,.This TEL system offers fixed scaffolds in order to help students in an experimental design activity.The situation implemented in LabBook has been tested in three biology classes in high school, during two sets of experimentation. The analysis is based on the students’ productions and their answers to questionnaires (pre-test and post-test).The results analysis showed that the experimental design activity promotes learning and changes students’ conceptions. Regarding design experiment, the pre structuration helps students to produce relevant and communicable procedures.This reveals that students are able to use the pre-structured experimental procedure tool in LabBook.This is a requirement for students’ errors diagnosis in order to propose automatic personalised feedbacks. We make recommendations for such feedbacks based on the praxeology model developed in this thesis.


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